航空发动机电动油门杆输出轴强度校核

马　昌，雷　利

(中国飞行试验研究院发动机所，陕西 西安 710089)

航空发动机电动油门杆输出轴强度校核

马昌，雷利

(中国飞行试验研究院发动机所，陕西 西安 710089)

摘要：为航空发动机飞行试验台研制的电动油门系统系航空设备，必须确保部件安全可靠。本文简要介绍了电动油门系统的结构、工作原理，并针对设计的输出轴进行强度校核，计算安全系数。

关键词：电动油门；输出轴；强度校核

1引言

航空发动机电动油门杆系统主要用于飞行试验台发动机试验使用，可以实现飞行员和试车员控制发动机油门变化，主要由两套操纵手柄、舵机、伺服放大器、角度传感器及应急机械系统等组成[1]。舵机根据操纵手柄的输出信号带动输出摇臂，实现对发动机油门的控制。舵机的输出轴作为舵机的关键传力部件，其强度必须进行校核，确保安全。

2系统结构简介

舵机系统组成方框图如图1所示。无刷直流电机、减速器、电磁摩擦离合器、位置反馈电位计、输出摇臂组成电控通道，由钢索鼓轮、电磁摩擦离合器、位置反馈电位计、输出摇臂组成备份的手动通道。

图1　舵机系统组成方框图

舵机系统整体安装结构如图2所示，输出轴一端连接到减速箱，另一端连接鼓轮带动钢索。无论是电控或者机械备份操纵，输出轴的安全至关重要。因为输出轴是为适应空中飞行试验台的电动油门系统而特别设计的非标准件，因此其强度必须进行校核，满足空中使用的要求。

图2　整体结构示意图

3输出轴强度校核

3.1输出轴受力分析

输出轴一端受钢索鼓轮的预紧力27kg，另一端受变速箱齿轮Z10输出的周向力，依据轴的实际工作状况做出轴的受力简图，如图3所示。

图3　输出轴受力简图

预紧力：

Fy=27×9.8=265N

齿轮Z10圆周力Ft：

式中，T为扭矩，d为直径，则Ft的水平分力和Ft的垂直分力(直齿轮角度为0°)：

FHt=Ftcos0°=464 N

FVt=Ftsin0°=0 N

根据上述参数，分别做出水平面的弯矩图、总扭矩图和计算弯矩图，如图4-图7所示。

图4　水平受力图

图5　水平弯矩图

图6　扭矩图

图7　计算弯矩图

由图4解得：RH1=758 N，RH2=235 N。由图5可得：MH1=13.8N·m，MH2=3.7 N·m。图6中，αT=0.6×4.25=2.55 N·m。

3.2输出轴强度校核

(1)按弯扭合成应力校核轴的强度

由计算弯矩图校核轴上计算弯矩最突出的危险截面Mca1的强度，按第三强度理论校核：

因为σca<[σ-1]，故该轴安全。

(2)精确校核该轴的疲劳强度

该轴需校核截面Mca1。

抗弯截面系数：

W=0.1d3=0.1×12.53=195mm3

抗扭截面系数：

WT=0.2d3=0.2×12.53=390mm3

左侧弯矩M为：

M=13700 N·mm

左侧扭矩T为：

T= 4250 N·mm

截面上的弯曲应力：

截面上的扭转切应力：

轴的材料为2Cr13，硫氮共渗处理。查得：

σB=980MPa

σ-1=300MPa

στ=160MPa

材料的敏性系数：

qσ=0.72

qτ=0.61

故有效应力集中系数：

kσ=1.7

kτ=1.55

钢材的尺寸及截面形状系数：

εσ=1

圆截面钢材的扭转剪切系数：

ετ=1

轴经过精车加工，其表面质量系数：

βσ=βτ=0.8

轴表面经过硫氮共渗表面强化：

βq=2

弯曲疲劳极限的综合影响系数：

剪切疲劳极限的综合影响系数：

又由材料的特性系数：

ψσ=0.25

ψτ=0.125

于是计算安全系数S，得：

注：标准规定轴安全系数为1.5，因为是航空产品，为确保安全，系数选择取双倍为3。

4结论

计算证明，输出轴强度各项指标满足安全要求。经试验验证，电动油门杆控制系统可满足飞行台空中操纵发动机油门的需求，系统安全、可靠。

参考文献

[1]马艳荣,党智辉,王小峰,等.航空发动机飞行试验台电动油门系统的研制[J].工程与试验,2011,51(3):81-84.

[2]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社.

[3]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京:国防工业出版社,2003.

[4]GJB-241A 航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范[S].

Strength Check for Output Shaft of Dynamoelectric Accelerograph System of Aero-engine

Ma Chang,Lei Li

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：The dynamoelectric accelerograph system of aero-engine,which was developed for flight test bed,is a kind of aviation equipment and every component in the system must have higher quality so as to meet the safety and reliability requirement.The configuration of the system and the working principle are introduced in the paper.Finally,the strength of the designed output shaft is checked,and the safety coefficient is calculated.

Keywords:dynamoelectric accelerograph;output shaft;strength check

[收稿日期]2016-03-01

[作者简介]马昌(1980—)，男，研究生学历，工程师，主要从事航空发动机整机试验工作。

中图分类号：V233.2

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.004